［特集:環境修復］竹炭を混合したコンクリートの水質浄化特性

全文

(1)１０２. 竹炭を混合したコンクリートの水質浄化特性＊土世キーワード. ①竹炭. 田利. ②護岸ブロック. 大桂. 輔＊１・石一＊３・倉. ③付着微生物. 要. 橋富. 融伸. 子＊１・徳一＊４. 永. 隆. 司＊２. ④六価クロム. 旨. 竹炭を混合して作製されたコンクリートブロックの水質浄化特性を，コンクリートから溶出する溶解物質と，コンクリート表面に付着した微生物による有機物分解の両面から調査した。試験片による室内での浸漬実験の結果，竹炭混合コンクリートは，竹炭の入っていない普通コンクリートに比べ六価クロムの溶出が少なく，竹炭由来のカリウムイオンや使用した特殊セメント由来のアルミニウムイオンなどが多く溶出した。吸着実験の結果，六価クロムは竹炭に吸着されたことがわかった。また試験片を酸化池に３カ月間沈めて微生物を付着させた結果，竹炭混合コンクリートには普通コンクリートの約３倍量の微生物が付着した。この微生物量の違いにより，BOD 除去速度も大きかった。. 1.. 背景および目的. 海外からの竹材・タケノコの輸入増加や竹類の需要の減少などが原因で，竹林が放置されて異常繁殖していることが問題となっている。そこで，. あるが，吸着量が有限であるため，河川水質の浄化などに用いる場合，その浄化能を持続させるのが難しいという問題点がある。そこで，表面に無数の細孔のある竹炭をコンク. 竹の新しい用途を開発し，これを有効利用するこ. リートに混合することで，表面積を増加させた河. とによって竹林産業の活性化を図ろうとする動き. 川護岸用コンクリートブロックを開発した３）。こ. が，全国の竹材生産地を中心に進められている。. れは，この護岸ブロックを河川に設置した際，コ. そのような有効利用法の１つとして，竹炭の生産. ンクリート表面に微生物が付着することを促し，. が行われている１）。. 微生物による水質浄化を持続させることを目的と. 生産された竹炭などの炭化物が水質の浄化能を. したものである。. 有していることはよく知られている２）。これは炭. 本研究では，竹炭混合コンクリートの水質浄化. 化物が汚濁物質を吸着する効果を利用したもので. 特性を明らかにすることを目的とし，次の２点に. ＊. Water Purification Properties of the Concrete containing Bamboo Charcoal Daisuke TSUCHIDA, Yuko ISHIBASHI（福岡県保健環境研究所） Fukuoka Institute of Health and Environmental Sciences ＊２ Takashi TOKUNAGA（福岡県リサイクル総合研究センター） Fukuoka Research Center for Recycling Systems ＊３ Keiichi SERI（福岡県工業技術センターインテリア研究所） Fukuoka Industrial Technology Center Interior Design Reserch Institute ＊４ Shinichi KURATOMI（くら有限会社） Cra Inc. ＊１. ３０─. 全国環境研会誌.

(2) 竹炭を混合したコンクリートの水質浄化特性. １０３. ついて考察した。まず，一般にコンクリートから. クリート製品では蒸気養生工程があるが，これら. は種々の溶解物質が溶け出すことが知られてい. の試験片については行わなかった。写真に各試験. る４）ため，竹炭混合コンクリートから溶出する物. 片の外観を示す。. 質を調査し，通常のコンクリートと比較した。次. 2.2 浸漬実験. に，付着微生物による浄化作用５∼６）に注目し，コ. 竹炭混合コンクリートおよび普通コンクリート. ンクリート表面に竹炭を混合することによる，微. の試験片６個を３００ml トールビーカーにそれぞれ. 生物付着量および水質浄化能の変化について調査. 入れ，蒸留水２５０ml に浸した後，ロータリーシェ. を行った。. イカーにより約８０rpm で旋回振とうした。実験は２０℃の恒温室内で行った。浸漬期間中，電気伝導法. 度と pH を測定し，値が安定した後，浸漬した水. 2.1 実験試料. 2. 方. を採取し，溶出した無機物質の濃度を測定した。. 本実験に使用した竹炭混合コンクリートの製造. 無機物質の測定には，イオン項目についてはイ. 方法７）を以下に示す。竹炭はモウソウチクを原料. オンクロマトグラフィー（横河社製 IC７０００），金属. として，ロータリーキルン式連続炭化炉で製造し. （PERKIN ELMER 社製 OPTIMA３０００）類は ICP―OES. たものを用いた。竹炭の大きさは長辺５∼１０mm，. をそれぞれ用いた。全リン（T―P）およびリン酸イ. 短辺２∼３mm の長粒状であった。竹炭の性状を. オン（PO４―P）はアスコルビン酸還元吸光光度法，. 表 1 に示す。竹炭を混合することによる強度の. 六価クロムはジフェニルカルバジド吸光光度法に. 低下が予想されたことから，従来のセメントに比. よって定量した。また，得られた浸漬水を０．１mol. べ圧縮強度，曲げ強度が大きくなる特殊セメント. !l の塩酸により滴定し，中和滴定曲線を求めた。. を使用した。次に，竹炭とセメントを重量比１：. 2.3 竹炭によるクロム吸着試験. ３で混合した後，水を加えてミキサーで撹拌した。. 濃度０．１mg!l に調製した六価クロム溶液１l を. 材齢７日および２８日における圧縮強度は，２４．２お. ２l ビーカーに入れ，この溶液に竹炭混合コンク. よび２５．５N!mm２で JIS 強度を満たした。. リートに使用したものと同じ竹炭１０g を添加し. 室内実験に用いるため，一辺２cm の立方体の. た。これをスターラーで撹拌しつつ，数時間おき. コンクリート試験片を作製した。また，対照とし. に駒込ピペットで溶液を採取した。採取した溶液. て竹炭の入っていないコンクリート（普通コンク. を０．４５µm のメンブレンフィルターで濾過した. リート）の試験片も作製した。なお，実際のコン. 後，濾液中の六価クロム濃度をジフェニルカルバ. 表1 pH. ジド吸光光度法によって定量した。また実験終了. 竹炭の性状. 後の溶液の全クロム濃度を ICP―OES で定量した。. 灰分揮発分炭素水素酸素嵩比重比表面積％％％％％ g!cm３ m２!g. １０．２６．４. １１．２８７．２０．９５．５. ０．２３. ２２６. 2.4 微生物付着実験. 竹炭混合コンクリート，普通コンクリートの試験片を酸化池に約３カ月間浸漬し，付着した微生４５m，面物量を測定した８）。酸化池は平均水深０．積２７０m２であり，実験期間中は植物や藻類が繁茂していた。水質は水温５∼１５℃，溶存酸素飽和度６０∼１００％，pH６．０∼９．０，COD５．９∼１７mg!l，T― N ０．３∼１２．６mg!l，T―P ０．１３∼１．４mg!l であった。微生物付着量は，付着重量と好気性従属栄養細菌数の２種類の方法で測定した。付着重量は，コンクリートの一定面積から付着微生物をハブラシで落とし，１０５℃で乾燥して，単位面積当たりの. 写真. 竹炭混合コンクリート（左）と普通コンクリート（右）の試験片の外観. Vol. 29. No. 2（2004）. 乾重量として求めた。好気性従属栄養細菌数は PYG 寒天培地（ポリペプトン１．０g，酵母エキス０．５ ─３１.

(3) 特集 ! 環境修復. １０４. g，グルコース０．２g）に，一定面積から採取した付. 窒素および亜硝酸性窒素は普通コンクリートの半. 着微生物を希釈後に表面塗布し，２０℃で１４日間培. 分ほどの濃度であった。. 養して計測した。. 金属類については，竹炭混合コンクリートから. 2.5 BOD 除去実験. アルミニウムが１４０mg"l 溶出した。これは竹炭混. 酸化池で微生物を付着させた状態の竹炭混合コ. 合コンクリートの製造過程で，竹炭とセメントの. ンクリートおよび普通コンクリートの試験片５個. 結合を高めるため，バインダーとしてシリカアル. を，それぞれ合成下水２００ml に入れ，２０℃の恒温. ミナセメントが使用されたことによると考えられ. 暗室内で旋回振とうした。一定経過時間ごとに溶. た。アルミニウムは非常に高濃度であったため，. 液を採取し，BOD を測定した。実験に用いた合. 今後は用いるバインダーの工夫が必要である。. 成下水はペプトン２０mg，サッカロース２０mg，リ. また，普通コンクリートから六価クロムが０．９９. ン酸二水素カリウム５mg，炭酸水素カリウム１０. mg"l 溶出した。普通コンクリートに比べ，竹炭. mg を蒸留水１l に溶解させることにより調製し. 混合コンクリートからの六価クロム溶出量が少な. た。. い理由としては，竹炭による吸着と三価クロムへの還元の２つの要因が考えられた１０）が，今回の実. 3.. 結果および考察. 験では三価クロムは浸漬水中にほとんど存在しな. 3.1 コンクリートから溶出する無機物質. かった。アルミニウム，六価クロム以外の金属類. コンクリートが護岸ブロックとして河川で使わ. については高濃度の溶出は認められなかった。. れることを想定し，コンクリートと水が接したと. 次に，それぞれの浸漬水の中和滴定曲線を図 1. きに溶出する無機物質を把握するために浸漬実験. に示す。竹炭混合コンクリートの浸漬水は，普通. を行った。コンクリートから浸漬水に溶出したイ. コンクリートの浸漬水に比べて pH９前後での緩. オンと金属類の分析結果を表 2 に示す。. 衝能が大きかった。. イオン項目についてみると，竹炭混合コンクリートからはカリウムイオンが３５０mg"l 溶出した。これは竹に多く含まれるカリウムが炭化によって無機化し，溶出したものと考えられた。植物体内のカリウムの形態は十分には解明されていないが，カリウムイオンとして存在すると考えられる９）。逆に，セメント由来と思われる硫酸イオン，カルシウムイオンの溶出は少なかった。また硝酸性図1. 表2. コンクリートから溶出した無機物質竹炭混合普通ココンクリンクリートート. NO２―N NO３―N NH４―N PO４―P T―P SO４ Cl. ０．５１．２＜０．０２＜０．２０．０８７．８４３．１. １．１２．１＜０．０２＜０．２０．０１２９９３４．５. 竹炭混合普通ココンクリンクリートート Na K Mg Ca Al Cr（Ⅵ）. 単位：mg" l，浸漬期間：８日間，n＝２. ３２─. 浸漬水の中和滴定曲線. １２．８８２．２３５０３３．９＜０．０２０．５２．６７５．７１４００．０８０．０６０．９９. 図2. 浸漬水の六価クロム濃度の経時変化全国環境研会誌.

(4) 竹炭を混合したコンクリートの水質浄化特性. 図3. 竹炭による六価クロム吸着表3. 図4. １０５. コンクリート付着微生物による BOD 除去. 微生物の付着量. の量を測定した結果を表 3 に示す。竹炭混合コ竹炭混合普通コンクリートコンクリート. 量の付着微生物と好気性従属栄養細菌が存在して. 付着重量（mg!cm２）好気性従属栄養細菌数（×１０６CFU!cm２）. ンクリートには普通コンクリートに比べ，約３倍. １．２２１４．５. ０．４２５．２０. 浸漬期間：１９９８年１２月∼１９９９年３月. いた。表面に竹炭が露出することで表面積が増し，微生物の増殖に好都合になった１，２）ためと考えられた。 3.4 BOD 除去効果の比較. 微生物付着実験で得られた試験片を人工下水に 3.2 六価クロムの吸着. 入れたときの，BOD の経時変化を図 4 に示す。縦. 2.2 節の浸漬実験において，普通コンクリート. 軸は初期濃度に対する残存率で示した。最終的な. 浸漬水中に有害物質である六価クロムが検出され. BOD 残存率に大きな違いはみられないが，竹炭. たため，浸漬実験期間中の六価クロム濃度の経時. 混合コンクリートの方がより速く減少した。. 変化を測定した。結果を図 2 に示す。六価クロ. BOD が初期濃度の５０％以下になるまでに要す. ムの濃度は，普通コンクリートでは経過時間とと. る時間は，竹炭混合コンクリートの方が４時間近. もに徐々に高くなったが，竹炭混合コンクリート. く速かった。実際の河川では，付着藻類と水が接. では０．１mg!l 前後で推移し，その後わずかではあ. する時間は短いため，BOD 除去速度の大きい方. るが減少した。このことから，一度コンクリート. が水質浄化には効果的であると考えられる。. 部分から水に溶け出した六価クロムが，竹炭部分に吸着されたと考えられた。そこで，竹炭混合コンクリートの竹炭部分による六価クロムの吸着を確認するため，竹炭のみに. 4.. ま. と. め. 本研究で得られた知見を以下にまとめる。コンクリートブロックを河川の護岸ブロックに. よる吸着実験を行った。この結果を図 3 に示す。. 使用することを想定し，水中に浸漬する実験を. 時間の経過とともに六価クロム濃度が減少し，. 行った。その結果，竹炭混合コンクリートからは，. ２６０時間経過後には検出下限値（０．０２mg!l）以下と. セメントに含まれるカルシウムイオンや硫酸イオ. なり，竹炭が六価クロムを効果的に吸着すること. ンの溶出は少なく，カリウムイオン，アルミニウ. がわかった。また実験終了後の溶液の全クロム濃. ムが多く溶出することがわかった。カリウムは竹. 度は０．０１mg!l 以下であり，三価クロムとしても. に多く含まれることから，竹炭から溶け出したと. 存在していないことを確認した。. 考えられた。またアルミニウムは，竹炭混合コン. 3.3 微生物付着量の比較. クリートの製造過程で，バインダーとして使用し. コンクリート表面の違いによる微生物付着量の. たシリカアルミナセメントに由来すると考えられ. 差異を把握するため，酸化池で付着させた微生物 Vol. 29. No. 2（2004）. た。アルミニウムは非常に高濃度であったため， ─３３.

(5) 特集 ! 環境修復. １０６. バインダーの工夫が必要である。また，竹炭混合コンクリートでは，有害物質である六価クロムの溶出量が普通コンクリートに比べ少なかった。竹炭のみによる六価クロム吸着実験の結果，コンクリート表面の竹炭へ吸着されていることがわかった。酸化池でコンクリート試験片に微生物を付着させたところ，竹炭混合コンクリートには普通コンクリートに比べ約３倍の微生物が付着した。この付着微生物量の違いは竹炭を入れたことで表面積が増したためと考えられた。付着微生物量が多いことにより竹炭含有コンクリートの BOD 除去速度も大きかったが，実際の河川水質への効果については今後検証が必要である。 ―引用文献― １）池嶋庸元：竹炭は効く．pp.１８３―１８４，致知出版社，東京，. ３４─. １９９９２）田中淳夫：伐って燃やせば森は守れる，pp.１０８―１１４，洋泉社，東京，１９９９３）世利桂一，徳永隆司，中村融子，野田和孝，倉富伸一：植物系炭化物を混合した機能性コンクリートの調製と水質浄化特性．第５０回日本木材学会研究発表要旨集，p.５４２，２０００４）小林一輔：コンクリートが危ない．pp.１９―２４，岩波書店，東京，１９９９５）玉井信行，水野信彦，中村俊六：河川生態環境工学．pp. ２７―２８，東京大学出版会，東京，１９９３７，６）桜井善雄，市川新：都市の中に生きた水辺を．pp.７５―７信山社出版，東京，１９９６７）世利桂一，平野吉男，倉富伸一，徳永隆司，中村融子，：木質系炭化物を混合した多機能コンクリートの調製とキャラクタリゼーション．第５回日本木材学会九州支部大会講演集，pp.６７―６８，１９９８８）中村融子，緒方健，志水信弘，徳永隆司：シュロガヤツリによる池の水質浄化と水生昆虫の定着．水環境学会誌，２２，pp.１０１０―１０１５，１９９９９）畑野健一，佐々木恵彦：樹木の生長と環境．pp.３３１―３３５，養賢堂，東京，１９８７１０） Han I, Schlautman M, Batchelor B:Removal of Hexavalent Chromium from Groundwater by Granular Activated Carbon.Water Environment Research，７２，pp.２９―３９，２０００. 全国環境研会誌.

(6)